Estabilidade química de agregados de natureza granítica incorporados em betões de cimento Portland

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA

Estabilidade química de agregados de natureza granítica

incorporados em betões de cimento Portland

Ana Rita Eustáquio Ferraz

Mestrado em Geologia Económica

Especialização em Prospeção Mineral

Relatório de Estágio orientado por:

Maria Isabel Gonçalves Fernandes

António Santos Silva

UNIVERSIDADE DE LISBOA

FACULDADE DE CIÊNCIAS

DEPARTAMENTO DE GEOLOGIA

Estabilidade química de agregados de natureza granítica

incorporados em betões de cimento Portland

Ana Rita Eustáquio Ferraz

Mestrado em Geologia Económica

Especialização em Prospeção Mineral

Relatório de Estágio orientado por:

Maria Isabel Gonçalves Fernandes

António Santos Silva

Agradecimentos

São inúmeras as pessoas que permitiram o desenvolvimento deste trabalho e a quem devo expressar os meus agradecimentos. Contudo, na impossibilidade de citar cada uma delas, a todas dirijo os meus sinceros agradecimentos.

Em primeiro lugar, o meu reconhecimento é direcionado à Professora Maria Isabel Fernandes, orientadora científica desta tese, pela sua dedicação e paciência com que orientou o meu trabalho. Agradeço-lhe todos os conhecimentos concedidos e as palavras de encorajamento que me dispensou, bem como, toda a atenção e disponibilidade manifestadas. O meu muito obrigado, sentido, por todas as palavras de incentivo e pela confiança e amizade demonstradas.

Ao Doutor António Santos Silva, co-orientador da tese, agradeço o apoio, o apreço demonstrado e o ter feito parte desta minha jornada. Acima de tudo, um obrigado por todos os ensinamentos que prestou e as proveitosas sugestões fornecidas. Ao LNEC, nomeadamente aos elementos do Laboratório de Ensaios de Materiais e Revestimentos Inorgânicos e, em especial à Dora Soares por toda a disponibilidade e ajuda na realização de alguns ensaios de laboratório.

Ao Professor Álvaro Pinto pelas sugestões e ensinamentos num método completamente novo para mim, bem como pelas palavras de amigo e preocupação que teve para comigo durante todo o processo. O meu profundo agradecimento por me ajudar a crescer, na vida académica e como pessoa.

Aos Docentes do Mestrado em Geologia Económica, os Professores Doutores António Mateus, Miguel Gaspar, Jorge Figueiras e Mário Abel, agradeço todo o ensino fornecido, que permitiu alargar em muito os meus conhecimentos, assim como a disponibilidade que sempre tiveram para esclarecimento de dúvidas. Ao Doutor Pedro Rodrigues pela sua contribuição nas análises com microssonda eletrónica, à Doutora Cynthia Mourão pelo fabrico das lâminas delgadas e à Técnica Superior Vera Lopes pelo material disponibilizado.

Aos meus pais por todas as palavras de incentivo e confiança absoluta nas minhas capacidades, bem como pelo amor e ajuda que sempre me deram. À minha irmã por todo o seu carinho e pela compreensão demonstrada nos momentos mais complicados, assim como pela capacidade de tornar estes mais fáceis. Aos meus avós e restante família pelos momentos felizes que sempre me proporcionaram e pelo incentivo que me deram para realizar os meus sonhos. Às pessoas que se tornaram uma família para mim em Lisboa.

À Teka pelo seu carinho, pela disponibilidade em todos os momentos e atenção sem reservas. Aqui lhe exprimo a minha gratidão pelo seu caloroso acolhimento. À Carmem Pinto por ser o apoio imprescindível de uma segunda mãe em Lisboa. À Daniela, Catarina Pinto e Joana Real por todos os momentos de amizade e apoio constante.

A todos os meus amigos pela paciência demonstrada nas alturas complicadas e pela força que me deram para as superar, pelos momentos memoráveis que comigo passaram – peço aqui desculpa por outros que não aconteceram devido à distância e falta de tempo. Em especial, quero agradecer à Karoline Souza, Marta Rente, Inês Carvalho, Jorge Marques, Guillaume Fukatsu, André Santos, Catarina Dias e Rui Gonçalves por partilharem todos esses momentos.

Aos meus colegas de mestrado e amigos da FCUL pelos momentos de entusiasmo partilhados em conjunto, pela ajuda sempre pronta e pelos bons momentos que passamos nesta etapa: Maja Vučković, Joana Ferreira, Gessica Spinelli, Cristiana Esteves, Filipe Ribeiro, Frederico Martins, Hugo Esteves, Marcelo Silva, Filipa Luz, José Roseiro, Sofia Pereira, Joana Carvalho, Alex Righetti, Miguel Santos, Ivo Martins, Bruno Barros e José Vele.

Ao grupo de saltos do clube de atletismo ESCMOV por todos os momentos de amizade em grupo e pelas palavras de incentivo: Pedro Gonçalves, Francisco Cordoeiro, André Silva, Isaac Lopes, Mariana Oliveira, Oscar Vilaça, Hemilton Costa e Andreia Nicolau.

A todos os meus amigos de ERASMUS que sempre estiveram presentes mesmo a distâncias consideráveis, pelas suas palavras de afeto e estímulo e pela alegria partilhada: Maddi Bilbao, Mario Rossien, Thomas Zakaluk, Jacques Julio, Alejandro Avilés, Martin del Rio, Clara Barátta e Maria Urbistundo. Aos meus colegas e amigos de uma antiga casa (FCUP) por todos os momentos de amizade e palavras de incentivo: Carolina Gonçalves, Teresa Costa, Hugo Martins, Tiago Falcão e João Rocha. Quiero agradecer al profesor José Fernando Simancas Cabrera por los enseñamientos en geología y por el cariño demostrado durante mi ERASMUS. Gracias por me hacer enamorar de nuevo y más por una ciencia como la geología.

Enfim, agradeço a todos os outros que não consigo aqui citar e que, de um modo ou de outro, tornaram possível e mais fácil a realização deste trabalho.

Resumo

Os granitos são rochas essencialmente constituídas por quartzo, micas e feldspatos. Estes últimos minerais são aqueles que, nestas rochas, contêm mais elementos alcalinos, assim, são também os que, em condições específicas são passíveis de libertar esses elementos na forma de iões.

As reações álcalis-sílica (RAS) são reações químicas que ocorrem no betão entre formas de sílica presentes nos agregados e os iões alcalinos (álcalis) existentes na solução intersticial. De acordo com a literatura, os agregados graníticos são considerados de reação lenta quando utilizados em betão, indicando que as reações apenas se manifestam algumas décadas após a construção. Verifica-se, no entanto, a existência de numerosas estruturas onde foram empregues agregados graníticos e que apresentam problemas relacionados com RAS.

Tendo em conta esta problemática, os agregados de natureza granítica têm sido alvo de estudo detalhado em Portugal com vista à caracterização da sua reatividade potencial, considerada de reação lenta, devido à presença frequente de quartzo deformado e/ou microcristalino. Adicionalmente há a considerar nestas rochas a presença de feldspatos que podem libertar álcalis para a solução intersticial do betão e assim contribuir para a ocorrência de RAS.

O presente trabalho teve por objetivo avaliar a possível libertação de álcalis por um conjunto de sete agregados graníticos portugueses previamente estudados quanto à sua reatividade potencial aos álcalis. Assim, realizou-se a análise petrográfica com especial enfase no estudo dos feldspatos presentes e o seu grau de alteração, cuja quantificação foi realizada a partir da análise de imagem de fotografias obtidas ao microscópio ótico. Cada agregado foi dividido em frações que apresentavam diferentes graus de alteração para realização de ensaios de avaliação da libertação de álcalis em solução alcalina de acordo com a metodologia prevista na recomendação RILEM AAR-8.

Foram realizados alguns ensaios complementares de avaliação da reatividade destas rochas, nomeadamente usando prismas de betão que haviam submetidos previamente a ensaios de expansão acelerada, em particular o designado por Gel Pat Test, com o objetivo de observar a formação de gel sílico-alcalino sobre partículas de agregado quando o betão é exposto a uma solução fortemente alcalina. Foram ensaiados blocos de granito porfiróide em duas frações – sã e alterada, que foram submetidas a ataque químico de NaOH a fim de determinar se a sua estabilidade química é afetada por um meio com características semelhantes às do betão.

Os resultados obtidos permitiram concluir que os feldspatos, quando submetidos a condições similares às da solução intersticial do betão, libertam álcalis para essa solução, sendo essa libertação mais intensa no granito são, ou seja, o grau de alteração dos minerais vai condicionar a maior ou menor libertação de álcalis.

Conclui-se ainda, a partir dos estudos realizados, que ensaios como a análise petrográfica e a análise de imagem constituem métodos importantes na caracterização de um agregado, permitindo realizar uma descrição e classificação inicial de forma rápida e expedita. No entanto, ensaios como o ataque químico a feldspatos e o Gel Pat Test deverão ser estudados mais aprofundadamente de forma a serem aplicados corretamente a agregados de reação lenta, como os granitos, uma vez que neste trabalho os resultados obtidos não foram esclarecedores. Salienta-se que a utilização de diferentes métodos é crucial para a previsão do comportamento de um agregado quando utilizado em betão.

Palavras-Chave: Álcalis, libertação de álcalis, feldspato, reatividade, betão, reações álcalis-sílica, granito.

Abstract

Granites are rocks essentially composed by quartz, micas and feldspars, the latter being the minerals which, in these rocks, contain more alkalis in their structure and thus, able to release them under specific conditions. Alkali-silica reactions (ASR) are chemical reactions that occur in concrete, between the silica reactive forms that are present in the aggregates and alkalis of the concrete interstitial solution. According to the literature, granite aggregates are considered of slow reaction when used in concrete, indicating that the effects of such reactions are only manifested several years after the construction takes place. However, there is an existence of innumerable structures where granite aggregates were employed that show ASR-related problems. Considering this, a large number of different Portuguese granitic aggregates were studied with the aim of characterizing its potential reactivity. The presence of deformed or microcrystalline quartz causes the reactions to be slower and the feldspars can potentially release alkalis to the interstitial solutions in the concrete, favouring the progression and development of ASR. For evaluating the possibility of alkalis-release, seven different Portuguese granite aggregates were petrographically analysed, with special emphasis on the characterization of the feldspars and the intensity of their alteration. This alteration was quantified combining petrography and microphotographs image analysis. Each aggregate was divided in fractions, according to the observed alteration intensity and alkali-release potential tests, using alkaline solutions were performed, according to the RILEM AAR-8 methodology. A complementary test was also carried out, to evaluate the rocks reactivity, using concrete prisms, which previously underwent accelerated expansion texts. This experiment, named Gel Pat Test, assesses the potential for the formation of silico-alkaline gel. Non-altered and altered granite single feldspar crystals were also subjected to chemical reaction with NaOH to determine if their chemical stability is affected, when placed under similar conditions as the ones found in concrete. Contrary to what’s been described in previous works that used similar procedures, it was proven that the aggregate particles that show more intense alteration evidences are found to release a smaller amount of alkalis. This allowed to also prove that the feldspar, when in chemical conditions similar to the ones which are found within the concrete, can release alkalis into the interstitial solutions. Additionally, this study allowed to establish petrographic and image analysis as important processes for determining the reactivity of an aggregate, allowing an initial expedite classification and selection. Some tests, such as chemical attacks to feldspars and the Gel Pat Test should be further studied, in detail, so that they can be correctly applied to granitic aggregates, as the obtained results weren’t conclusive. It is also emphasized that the combination of different methods is crucial for the correct determination of the aggregates reactivity.

Índice

Agradecimentos... II Resumo ... III Abstract ...V Índice ...VII Lista de Figuras ... XII Lista de Tabelas... ...XVII Lista de Abreviaturas...XIX 1. Introdução ... 1 1.1 Enquadramento do problema ...1 1.2. Objetivos ...2 1.3. Organização do Trabalho...3 2. Enquadramento Teórico ... 5 2.1. Betão ...5 2.2. Cimento ...5 2.3. Agregados ...7

2.3.1. Características dos agregados ...8

2.4. Interface pasta de cimento-agregado ...9

2.5. Deterioração do betão ... 10

2.6. Reações causadoras de deterioração do betão ... 10

2.6.1. Humidade ... 11

2.6.2. Álcalis e pH do cimento ... 11

2.6.3. Sílica ... 13

2.6.4. Mecanismo reacional da RAS ... 13

2.7. Reatividade potencial das rochas graníticas ... 14

2.7.1. Granitos e granitóides de Portugal ... 15

3. Materiais e Métodos ... 17

3.1. Materiais ... 17

3.2. Métodos ... 19

3.2.1. Microscopia ótica – análise petrográfica... 19

3.2.2. Análise de imagem ... 20

3.2.3. Microscopia eletrónica de varrimento e microanálise de raios X por dispersão de energia (MEV/EDS) ... 20

3.2.4. Microssonda eletrónica (EPMA) ... 21

3.2.5. RILEM AAR-8 ... 21

3.2.7. Ataque a feldspatos com solução alcalina ... 23

4. Resultados ... 24

4.1. Análise química ... 24

4.2. Petrografia, análise de imagem e ensaio AAR-8 ... 25

4.2.1. Agregado GR2 ... 25 4.2.1.1. Análise Petrográfica... 25 4.2.1.2. AAR-8 ... 28 4.2.2. Agregado GR13 ... 29 4.2.2.1. Análise petrográfica ... 29 4.2.2.2. AAR-8 ... 30 4.2.3. Agregado GR18 ... 32 4.2.3.1. Análise petrográfica ... 33 4.2.3.2. AAR-8 ... ... ...34 4.2.4. Agregado GR21 ... 37 4.2.4.1. Análise petrográfica ... 37 4.2.4.2. AAR-8 ... 40 4.2.5 Agregado GR23 ... 41 4.2.5.1. Análise petrográfica ... 42 4.2.5.2. AAR-8 ... 44 4.2.6. Agregado GR24 ... 45 4.2.6.1. Análise petrográfica ... 45 4.2.6.2. AAR-8 ... 46 4.2.7. Agregado GR29 ... 49 4.2.7.1. Análise petrográfica ... 49 4.2.7.2. AAR-8 ... 50

4.2.8. Síntese da análise petrográfica, análise de imagem e AAR-8 ... 52

4.3. Gel Pat Test ... 53

4.4. Resultados do ataque alcalino ... 61

5. Discussão ... 63

5.1. Análise química de rocha total ... 63

5.2. Petrografia e análise de imagem ... 64

5.3. Ensaio AAR-8 ... 67

5.4. Gel Pat Test ... 70

5.6. Ataque químico a feldspatos ... 72

Anexo 1……….………81 Anexo 2……….………85 Anexo 3……….………89 Anexo 4……….…………93 Anexo 5………..97 Anexo 6……….101 Anexo 7……….105 Anexo 8……….109 Anexo 9……….135 Anexo 10……….….139

Estabilidade química de agregados de natureza granítica incorporados em betões de cimento Portland

Lista de Figuras

Figura 3.1 – Indicação aproximada dos locais de amostragem dos agregados estudados (sem escala)……….17 Figura 4.1 - Agregado GR2 (grelha de 1cm); A-Fração de granito são (GR2 - N); B - Fração de granito alterado (GR2 - A). ... 25 Figura 4.2 – Caixas de bigodes dos dados de análise de imagem para o agregado GR2... 26 Figura 4.3 – A) Microclina com inclusões de plagioclase (Fração GR2-N); B) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia A onde se observa a alteração mais intensa da plagioclase; C) Cristal de plagioclase junto a outro de microclina (Fração GR2-A); D) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia C onde se observa a alteração mais intensa na plagioclase; E) Megacristal de ortóclase com inclusões de plagioclase e moscovite orientada (Fração GR2-A); F) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia E onde se observa a alteração da ortóclase; G) Cristais de plagioclase separados por um corredor de quartzo subgranulado (Fração GR2-A); H) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia G onde se observa a alteração dos distintos minerais; I) Subgranulação intensa de cristais de quartzo e moscovite entre dois cristais de plagioclase (Fração GR2-A); J) Cristais de biotite curvados e alongados e moscovite tardia de pequenas dimensões ao longo da fratura (Fração GR2-A); (fotomicrografias em NX).. ... 27 Figura 4.4 – Gráfico A - Libertação de sódio das duas frações do agregado GR2; Gráfico B - Libertação de potássio das duas frações do agregado GR2; Gráfico C - Libertação de Na2Oeq das duas frações do agregado GR2. ... 28 Figura 4.5 - Agregado GR13 (grelha de 1cm); A-Fração de granito são (GR13-N); B - Fração de granito alterado (GR13-A). ... 29 Figura 4.6 - Caixas de bigodes dos dados de análise de imagem para o agregado GR13. ... 30 Figura 4.7 - A) Cristal de plagioclase junto a de um outro de microclina, ambos com indícios de alteração (Fração GR13-A; B) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia A onde se observa a alteração dos distintos minerais; C) Cristal de plagioclase com maclas pouco nítidas (Fração GR13-N); D) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia C onde se observa a alteração dos distintos minerais e a fraturação; E) Cristal de plagioclase em megacristal de microclina (Fração GR13-A); F) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia E onde se observa a alteração dos distintos minerais; G) Cristal de biotite e de plagioclase em microclina (Fração GR13-A); H) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia G onde se observa a forte alteração dos feldspatos; I) Moscovite anédrica com franjas simpletíticas entre cristais de maiores dimensões (Fração GR13-N); J) Catáclase de cristais de quartzo mais intensa (Fração GR13-A) (fotomicrografias em NX). ... 31 Figura 4.8 - Gráfico A - Libertação de sódio das duas frações do agregado GR13; Gráfico B - Libertação de potássio das duas frações do agregado GR13; Gráfico C - Libertação de Na2Oeq das duas frações do agregado GR13... 32 Figura 4.9 - Agregado GR18 (grelha de 1cm); A) Fração de granito são (GR18-N); B) Fração com feldspatos avermelhados (GR18-V); C) Fração de granito alterado (GR18-A). ... 33 Figura 4.10 - Caixas de bigodes dos dados de análise de imagem para o agregado GR18. ... 34 Figura 4.11 – A A) Plagioclase zonada, com alteração mais intensa no núcleo (Fração GR18-N); B) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia A onde se observa a alteração dos distintos minerais; C) Dois cristais de plagioclase junto a quartzo (Fração GR18-A); D) Imagem obtida

através de análise de imagem da fotomicrografia C onde se observa a alteração dos distintos minerais; E) Cristal de plagioclase bastante alterado e biotite cloritizada (Fração GR18-V); F) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia E onde se observa a alteração dos distintos minerais; G) Megacristal de microclina com inclusões de plagioclase e biotite (Fração GR18-A); H) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia G onde se observa a alteração dos distintos minerais; I) Fraturas intracristalinas num cristal de quartzo preenchidas por moscovite (Fração GR18-N); J) “kink folds” em cristais de biotite e moscovite (Fração GR18-V) (fotomicrografias em NX).35 Figura 4.12 - Gráfico A - Libertação de sódio das três frações do granito GR18; Gráfico B - Libertação de potássio das duas frações do agregado GR18; Gráfico C - Libertação de Na2Oeq das três frações do agregado GR18... 36 Figura 4.13 - Frações do agregado GR21 (grelha de 1cm); A - Fração de granito são (GR21-N); B - Fração sã com feldspatos avermelhados (GR21-V); C - Fração de granito alterado (GR21-A). ... 37 Figura 4.14 - Caixas de bigodes dos dados de análise de imagem para o agregado GR21. ... 38 Figura 4.15 – A) Cristais de plagioclase de pequenas dimensões (Fração GR21-V); B) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia A onde se observa a alteração e rede de fraturação; C) Moscovite de pequenas dimensões nos limites de um cristal desenvolvido de plagioclase (fração GR21-A); D) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia C onde se observa a alteração dos distintos minerais; E) Megacristal de plagioclase com indícios de alteração (Fração GR21-A); F) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia E onde se observa a alteração mais intensa no núcleo do cristal; G) Plagioclase com rede de fracturação proeminente, por vezes preenchida por moscovite (Fração GR21-V); H) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia G onde se observa a alteração do cristal; I) encurvamento de cristais de biotite e moscovite (Fração GR21-N); J) Subgranulação de cristais e franjas simpletíticas em moscovite (Fração GR21-V); (fotomicrografias em NX). ... 39 Figura 4.16 - Gráfico A - Libertação de sódio das três frações do agregado GR21; Gráfico B - Libertação de potássio das três frações do agregado GR21; Gráfico C - Libertação de Na2Oeq das três frações do agregado GR21... 40 Figura 4.17 - Agregado GR23 (grelha de 1cm); A - Fração de granito são (GR23-N); B - Fração de granito alterado (GR23-A). ... 41 Figura 4.18 - Caixas de bigodes dos dados de análise de imagem para o agregado GR23.. ... 42 Figura 4.19 – A) Cristais de plagioclase com indícios de alteração (Fração GR23-N); B) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia A onde se observa a alteração da plagioclase; C) Megacristal de microclina com albitização e inclusões de biotite (Fração GR23-A);D) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia C onde se observa a alteração e fraturação; E) Cristal de ortóclase com macla de Carlsbad (Fração GR23-N); F) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia E onde se observa a alteração do feldspato; G) Cristal de ortóclase pertítico (Fração GR23-N); H) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia G onde se observa a alteração dos distintos minerais; I) Fraturas reenchidas por moscovite e silimanite (GR23-A); J) Cristal de moscovite contendo silimanite e mostrando franjas simpletíticas (Fração GR23-A); (fotomicrografias em NX)... 43 Figura 4.20 - Gráfico A - Libertação de sódio das duas frações do agregado GR23; Gráfico B - Libertação de potássio das duas frações do agregado GR23; Gráfico C - Libertação de Na2Oeq das duas frações do agregado GR23. ... 44

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Figura 4.21 - Agregado GR24 (grelha de 1cm); A - Fração de granito são (GR24-N); B - Fração de granito alterado (GR24-A). ... 45 Figura 4.22 - Caixas de bigodes dos dados de análise de imagem para o agregado GR24. ... 46 Figura 4.23 - A) Plagioclase zonada, com maior alteração apenas em algumas zonas (Fração GR24-N); B) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia A onde se observa a alteração dos distintos minerais; C) Cristal de plagioclase zonado com alteração (Fração GR24-A);D) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia C onde se observa a alteração mais intensa no núcleo; E) Cristal de plagioclase zonada, com maior alteração apenas em algumas zonas (Fração GR24-A); F) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia E onde se observa a alteração dos distintos minerais; G) Cristal de plagioclase zonado com sinais de alteração (Fração GR24-A); H) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia G onde se observa a alteração dos distintos minerais; I) Domínio da rocha de menor granularidade (Fração GR24-N); J) Mirmequites na orla de cristal de plagioclase (Fração GR24-A); (fotomicrografias em NX).. ... 47 Figura 4.24 - Gráfico A - Libertação de sódio das duas frações do agregado GR24; Gráfico B - Libertação de potássio das duas frações do agregado GR24; Gráfico C - Libertação de Na2Oeq das duas frações do agregado GR24. ... 48 Figura 4.25 - Agregado GR29 (grelha de 1cm); A - Fração de granito são (GR29-N); B - Fração de granito alterado (GR29-A)... 49 Figura 4.26 - Caixas de bigodes dos dados de análise de imagem para o agregado GR29. ... 50 Figura 4.27 – A) Cristal de plagioclase e moscovite alterada (Fração GR29-A); B) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia A onde se observa a alteração dos distintos minerais; C) Cristal de microclina com alteração mais intensa no núcleo (Fração GR29-A); D) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia C onde se observa a alteração dos distintos minerais; E) Cristais de plagioclase bastante alterados (Fração GR29-A); F) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia E onde se observa a alteração dos distintos minerais; G) Cristal de plagioclase com sinais de alteração e fraturação (Fração GR29-A); H) Imagem obtida através de análise de imagem da fotomicrografia G onde se observa a alteração dos distintos minerais; I) Cristais de moscovite e biotite alinhados (Fração GR29-N); J) Cristal de moscovite predominantemente alterado ao longo dos planos de clivagem. (Fração GR29-N); (fotomicrografias em NX). ... 51 Figura4.28 - Gráfico A - Libertação de sódio das duas frações do agregado GR29; Gráfico B - Libertação de potássio das duas frações do agregado GR29; Gráfico C - Libertação de Na2Oeq das duas frações do agregado GR29. ... 52 Figura 4.29 - Gráfico dos dados de análise de imagem para as distintas frações dos agregados estudados………....53 Figura 4.30 – Registo fotográfico das amostras de betão antes e após o ensaio Gel Pat Test: A) Betão com partículas de agregado GR2; B) Betão com partículas de agregado GR13. ... 55 Figura 4.31 - Registo fotográfico das amostras de betão antes e após o ensaio Gel Pat Test: A) Betão com partículas de agregado GR18; B) Betão com partículas de agregado GR21. ... 576 Figura 4.32 - Registo fotográfico das amostras de betão antes e após o ensaio Gel Pat Test: A) Betão com partículas de agregado GR23; B) Betão com partículas de agregado GR24. ... 587 Figura 4.33 – Registo fotográfico das amostras de betão antes e após o ensaio Gel Pat Test: A) Betão com partículas de agregado GR29. ... 598

Figura 4.34 – Fotos obtidas ao microscópio ótico de um pormenor do prisma de betão com partículas de agregado GR24: Pequena porção de PC junto a um agregado (nicóis //, A; nicóis X, B); Agregados das diferentes frações e os dois tipos de pasta de cimento (nicóis //, C; nicóis X, D); Limite entre os dois tipos de pasta de cimento sem influência de agregados grossos (nicóis //, E; nicóis X, F). ... 59 Figura 4.35 - Localização das análises no gel sílico-alcalino em imagem obtida ao MEV e ao microscópio ótico (N//). ... 60 Figura 4.36 - Q A) Fotografia de quartzo de pequenas dimensões no feldspato de granito são e não sujeito a ataque; B) Fotografia de quartzo de pequenas dimensões no feldspato de granito são e sujeito a ataque; C) Fotografia de quartzo de pequenas dimensões no feldspato de granito alterado e não sujeito a ataque; D) Fotografia de quartzo de pequenas dimensões no feldspato de granito alterado e sujeito a ataque. ... 61 Figura 4.37 - Feldspatos com zonamento químicos (Fotografia ao MEV). ... 62 Figura 5.1 - Sequência de agregados ordenados por grau crescente do conteúdo em álcalis (Na2Oeq) obtido por análise química de rocha total (valores expressos na Tabela 5.2). ... 63 Figura 5.2 - Sequência de agregados ordenados por grau crescente de grau de alteração, obtida através da análise petrográfica. ... 64 Figura 5.3 - Sequência de agregados ordenados por grau crescente de grau de alteração, obtida através da análise de imagem ... 66 Figura 5.4 - Sequência de agregados ordenados por grau crescente de conteúdo em álcalis (Na2Oeq) obtido através do ensaio AAR-8. ... 688 Figura 5.5 - Gráfico relativo às razões Al/Ca e Si/Ca das diferentes pastas de cimento obtidas no ensaio Gel Pat Test ... 71 Figura 5.6 - Gráfico relativo às razões Na2Oeq e Si/Ca das diferentes pastas de cimento obtidas no ensaio Gel Pat Test. ... 71 Figura A3 – Espectros EDS da pasta de cimento de coloração clara (PC; espectro superior) e da pasta de cimento de coloração escura (PE; espectro inferior)………..91 Figura A7.1 - Mapas de elementos de uma área cuja pasta de cimento é maioritariamente PC e onde se observa uma partícula de agregado de quartzo: A) Foto da área analisada quimicamente; B) Mapas composicionais (elemento respetivo no canto superior direito……….….107 Figura A7.2 - Mapas de elementos de uma área cuja pasta de cimento é maioritariamente PE e onde se observa uma partícula de agregado de quartzo: A) Foto da área analisada quimicamente A); B) Mapas composicionais (elemento respetivo no canto superior)………108 Figura A8.1 - Feldspato retirado da laje de granite são não submetido a ensaio: A, C, E, G; B, D, F, G……….111 Figura A8.2 - Imagens obtidas ao MEV no modo de eletrões secundários das diferentes áreas analisadas relativas a: A) Figura A8.3; B) Figura A8.4; C) Figura A8.5; F) Figura A8.6………..…112 Figura A8.3- Imagens ao MEV no modo de eletrões retrodifundidos (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–feldspato-K; 2-plagioclase; 3-biotite, 4-feldspato-K………...113

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Figura A8.4 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–plagioclase; 2-feldspato-K; 3-quartzo, 4-plagioclase………....114 Figura A8.5 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–biotite; 2-feldspato-K; 3-feldspato-K, 4-plagioclase………..115 Figura A8.6 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–apatite; 2-plagioclase; 3-plagioclase, 4-feldspato-K………...116 Figura A8.7 - Feldspato retirado da laje de granite são: A, C, E, G (antes da realização do ensaios); B, D, F, G (após o ensaio)………117 Figura A8.8 – Imagens de contraste topográfico obtidas ao MEV (BSE) em eletrões secundários das diferentes áreas analisadas relativas às: A) Figura A8.9; B) Figura A8.10; C) Figura A8.11; D) Figura A8.12………...118 Figura A8.9 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–quartzo; 2-plagioclase; 3-feldspato-K, 4-feldspato-K……….119 Figura A8.10 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–feldspato-K; 2-feldspato-K; 3-feldspato-K, 4-plagioclase………..120 Figura A8.11 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–quartzo; 2-plagioclase; 3-feldspato-K, 4-feldspato-K……….121 Figura A8.12 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–feldspato-K; 2-feldspato-K; 3-feldspato-K, 4-feldspato-K……….122 Figura A8.13 - Feldspato retirado da laje de granite alterado não submetido a ensaio: A, C, E, G,; B, D, F, G……….123 Figura A8.14 – Imagem de contraste topográfico obtidas ao MEV em eletrões secundários das diferentes áreas analisadas relativa a: A) Figura A8.15; B) Figura A8.16; C) Figura A8.17; D) Figura A8.18………..124 Figura A8.15 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–feldspato-K; 2-feldspato-K; 3-plagioclase, 4-plagioclase………125 Figura A8.16 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–plagioclase; 2-plagioclase; 3-feldspato-K, 4-feldspato-K. ………126 Figura A8.17 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–quartzo; 2-quartzo; 3-quartzo, 4-quartzo……….127

Figura A8.18 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–feldspato-K; 2-feldspato-K; 3-plagioclase, 4-quartzo………..128 Figura A8.19 - Feldspato retirado da laje de granite alterado: A, C, E, G (antes da realização do ensaios); B, D, F, G (após o ensaio). ………...129 Figura A8.20 - Imagem de contraste topográfico obtidas ao MEV em eletrões secundários das diferentes áreas analisadas relativas a: A) Figura A8.21; B) Figura A8.22; C) Figura A8.23; D) Figura A8.24.130 Figura A8.21 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–feldspato-K; 2-feldspato-K; 3-feldspato-K, 4-quartzo. ………..131 Figura A8.22 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–feldspato-K; 2-feldspato-K; 3-quartzo. ………..132 Figura A8.23 - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–feldspato-K; 2-feldspato-K; 3-plagioclase, 4-plagioclase. ……….133 Figura A8.24 - - Imagens ao MEV (BSE) e espectros EDS. Na imagem B estão assinalados os locais de análises, indicando-se em cada espectro o número correspondente: 1–plagioclase; 2-quartzo….134 Figura A9 – Proposta de classificação de alteração para cristais de feldspato numa fração de agregado………..137 Figura A10 – Proposta de classificação para agregado a partir das obtidas para os respetivos cristais de feldspato de cada fração ………..141

Estabilidade química de agregados de natureza granítica incorporados em betões de cimento Portland

Lista de Tabelas

Tabela 2.1 - Composição do cimento portland (Neville, 2003). ... 6 Tabela 2.2 - Classes de resistência do cimento (NP EN 197-1, 2001). ... 6 Tabela 2.3 - Composição do betão em óxidos (Neville, 2003). ... 6 Tabela 2.4 - Características dos minerais de um agregado que podem contribuir para as RAS (fotos petrográficas em nicóis cruzados). ... 15 Tabela 3.1 - Lista de agregados utilizados no estudo, distinguindo as diferentes frações analisadas18 Tabela 4.1 - Análise química de rocha total dos agregados estudados (valores expressos em %). . 24 Tabela 4.2 – Composição em álcalis dos agregados estudados (valores expressos em %). ... 24 Tabela 5.1 – Classificação das diferentes frações dos agregados estudados tendo em conta a alteração dos feldspatos-K e das plagioclases ... 66 Tabela 5.2 - - Sequência comparativa das diferentes frações dos agregados estudados relativamente à libertação de K2O, Na2O e Na2Oeq (valores finais). ... 67

Tabela 5.3 - Valores de alteração (em %; análise de imagem), de libertação em % (ensaio AAR-8) e em % para análise química de rocha total de Na2Oeq ... 68

Tabela A1 - Condições analíticas utilizadas na análise dos Feldspatos à EPMA……….83 Tabela A2 - Condições analíticas utilizadas na análise da pasta de cimento à EPMA……….87 Tabela A4.1 - Análises químicas de feldspatos ao EPMA do ensaio Gel Pat Test (em %)………..95 Tabela A4.2 – Química mineral dos feldspatos perto dos limites de agregados analisados ao EPMA na lâmina de betão submetido ao ensaio Gel Pat Test………...96 Tabela A5.1 - Análises químicas de feldspatos ao EPMA do ensaio Gel Pat Test (em %)…….….99 Tabela A5.2 - Química mineral dos feldspatos do interior das partículas de agregado longe de fraturas ao EPMA na lâmina do betão submetido ao ensaio Gel Pat Test……….….100 Tabela A6 - Análises químicas de PC e PE ao EPMA após o ensaio Gel Pat Test (em %)…….…103

Estabilidade química de agregados de natureza granítica incorporados em betões de cimento Portland

Lista de Abreviaturas

A – Fração composta por partículas de rocha alterada; Bt – Biotite;

CSH – Silicatos de cálcio hidratados; C3S - Silicato tricálcico;

C2S - Silicato bicálcico; C3A - Aluminato tricálcico;

C4AF - Aluminoferrato tetracálcico;

EDS - Energy Dispersive X-ray Spectroscopy; EPMA - Electron Probe Microanalyze;

FCT – Fundação para a Ciências e a Tecnologia;

FCUL – Faculdade de Ciências da Universidade do Lisboa; Feld-K – Feldspato potássico;

LNEC – Laboratório Nacional de Engenharia Civil; Mcr – Microclina;

Msc – Moscovite;

N – Fração composta por partículas de rocha sã (não alterada); NX- Nicóis cruzados;

N// - Nicóis paralelos; Ort – Ortóclase;

PC - Pasta de cimento de coloração clara; PE - Pasta de cimento de coloração escura; Plg – Plagioclase;

RAC - Reações álcalis-carbonato; RAS - Reações álcalis-sílica;

SEM ou MEV - Microscopia Eletrónica de Varrimento; Z - Número atómico;

1. Introdução

1.1

Enquadramento do problema

O betão é o material mais utilizado em construção civil na atualidade devido ao amplo intervalo de valores de resistência mecânica e durabilidade que pode apresentar. Na execução das grandes obras de engenharia o betão é reforçado com aço, obtendo-se o denominado “betão armado” (Neville, 2003).

A constituição do betão pode ser complexa, mas regra geral possui uma mistura de diversos componentes, entre os quais o cimento (ligante hidráulico), os agregados e a água, embora seja usual conter outros elementos, como adjuvantes e adições.

A ocorrência de ligações químicas entre o ligante (cimento) e a água dá origem à “presa” do betão e ao seu endurecimento (Neville, 2003).

Ao verificar-se um aumento da degradação de grandes estruturas, torna-se importante estudar a durabilidade do betão e os fatores que a condicionam, assim como compreender como é que a deterioração deste material ocorre ao longo do tempo. O estudo das reações químicas que se verificam entre os constituintes do betão e a forma como estas se vão processando pode ajudar a perceber as suas consequências, a longo prazo, nas propriedades do mesmo. No entanto, as reações químicas ocorrem, geralmente, de forma muito lenta e após a conclusão da obra, tornando-se necessário estudar e prever o comportamento dos componentes do betão, não só isoladamente, mas também no seu conjunto.

De entre as referidas reações químicas, encontram-se aquelas que ocorrem entre os agregados e os fluidos intersticiais do betão, designadas por “reações agregado”. Destas distinguem-se as reações álcalis-carbonato (RAC) e as reações álcalis-sílica (RAS), sendo estas últimas as únicas conhecidas até à data em Portugal.

As reações álcalis-sílica (RAS) ocorrem entre os hidróxidos alcalinos, libertados durante a hidratação do cimento ou libertados dos agregados utilizados no betão, e as diferentes formas de sílica reativa presentes nos agregados (

ACI, 1998

Embora os agregados graníticos sejam considerados de reatividade improvável aos álcalis, devido à estabilidade que os seus minerais usualmente apresentam, Ramos et al. (2016) referem que, em condições de elevada alcalinidade, como é o caso da solução intersticial do betão, os granitos podem, com o decorrer do tempo, originar RAS.

Lindgård et al. (2010) classificaram diferentes rochas com base em resultados de ensaios de expansão em laboratório e no comportamento desses materiais em estruturas construídas há algumas décadas. De acordo com estes estudos, os granitos foram classificados como agregados de reação lenta/retardada, a qual se manifesta, em geral, ao fim de 15 a 20 anos após a construção da obra.

Segundo Ramos (2013), em meados dos anos 50 surgiram as primeiras publicações onde se demonstrava que as reações álcalis-sílica, em rochas portadoras de quartzo, ocorriam devido a defeitos na rede cristalina deste mineral. De referir que anteriormente as características texturais das rochas utilizadas como agregados eram menosprezadas. DeHills e Corvalán (1964) correlacionaram, em rochas graníticas chilenas, o valor do ângulo da extinção ondulante em cristais de quartzo com o grau de deformação da rede cristalina. De acordo com Gogte (1973), a deformação que o quartzo apresenta está relacionada com a reatividade potencial aos álcalis do agregado, demonstrando, assim, a importância do exame petrográfico dos

agregados. Segundo este último autor, a reatividade aumentaria devido a um incremento das deslocações na rede cristalina do quartzo em resposta à deformação, o que levaria a um aumento da fragilidade das ligações entre os átomos de sílica e de oxigénio (Soares, 2014). Fernandes (2005) defende que o quartzo com intensa extinção ondulante se encontra muitas vezes associado a quartzo microcristalino, considerando-se este como uma das principais causas de reatividade de rochas graníticas.

A previsão da ocorrência ou da velocidade a que as reações álcalis-sílica ocorrem é bastante complexa, pois não tem uma relação direta com a natureza do agregado. Sendo os agregados de extrema importância no fabrico do betão torna-se necessário compreender as suas propriedades de forma a determinar como este pode relacionar-se com os outros componentes. Um mesmo mineral pode revelar-se estável ou instável, consoante os diferentes tipos de rocha em que se apresente, isto é, em certos casos os minerais poderão ser mais instáveis devido à deformação ou a outros processos geológicos decorridos na rocha correspondente. A reatividade relativa de vários minerais poderá também ser diferente de agregado para agregado. Assim, não existe um acordo relativamente às características que podem controlar a reatividade observada, nomeadamente a composição química, o estado em que se encontra a rede cristalina do quartzo, a micro-deformação e a área superficial específica (Ramos, 2013).

Para além da sílica potencialmente reativa, os granitos apresentam outros minerais, como os feldspatos e as micas, capazes de libertar Na+ _{e K}+ _{em meios fortemente alcalinos (Constantiner e Diamond, 2003). Os} feldspatos, são os minerais que contêm maiores quantidades de álcalis nas suas estruturas químicas, sendo, desta forma, os principais fornecedores dos mesmos. Diferentes tipos de feldspatos concorrem para a libertação dos álcalis, durante o desenvolvimento de RAS - o ião K+ _{é libertado pelos feldspatos potássicos,} como a microclina e a ortóclase, e o ião Na+ _{pelas plagioclases ricas em sódio.}

Nos últimos anos diversos estudos realizados no Canadá tentaram dar resposta à necessidade de classificar rapidamente um agregado quanto à possibilidade de libertar álcalis (Bérubé e Fournier, 1993; 2000). Estes estudos têm contribuído para complementar os ensaios que internacionalmente são utilizados para caracterizar a reatividade potencial de um agregado, nomeadamente:

• Ensaio Petrográfico (AAR-1.1): consiste numa caracterização petrográfica das partículas de agregado, determinando a presença das espécies minerais reativas aos álcalis;

• Ensaios Químicos (RILEM AAR-8): determinar a contribuição dos agregados para a libertação de álcalis no betão;

• Expansão de prismas de betão (EILEM AAR 3.1 ou RILEM AAR 4.1) e de barra de argamassa acelerado (ASTM C 1260 ou RILEM AAR-2): permitem determinar o grau de reatividade potencial de um agregado através da medição da expansão que uma barra de betão, ou de argamassa, composta por partículas desse mesmo agregado e por um cimento com elevado teor em álcalis; Estes ensaios encontram-se numa fase de validação, uma vez que não se obtêm resultados satisfatórios para todos os tipos de agregados e nenhum dos métodos descritos consegue definir por si só um agregado como reativo.

1.2.

Objetivos

Em Portugal, o granito é uma das rochas mais utilizadas no fabrico de betão, em especial nas zonas Norte e Centro do país onde abunda. Sendo o betão um material bastante utilizado na construção de infraestruturas, nomeadamente grandes obras de engenharia como barragens, pontes e túneis, é relevante determinar como se comportará com o decorrer do tempo, tal como já foi referido.

Têm sido desenvolvidos trabalhos de investigação com o objetivo de avaliar a reatividade potencial aos álcalis através de ensaios de expansão em laboratório. De acordo com o estado de conhecimento a nível nacional e internacional, nestes ensaios o betão é exposto a condições de humidade e temperatura extremas por forma a desencadear e acelerar a possível reação entre os álcalis existentes no fluido intersticial e o quartzo presente no agregado. Nas normas em vigor, as medidas apontadas para diminuir a ocorrência de RAS recomendam que se utilizem medidas mitigadoras de forma a evitar o seu desenvolvimento, nomeadamente pelo controlo da alcalinidade do betão ou pela introdução de adições minerais que são conhecidas por terem uma ação benéfica neste processo e na durabilidade em geral do betão. No entanto, tem sido questionada a possível contribuição de agregados com minerais contendo sódio e potássio para o aumento de álcalis no betão.

Assim, o presente trabalho pretende estudar e avaliar os possíveis fatores que influenciem a contribuição dos agregados graníticos para o aumento de álcalis no betão, e dessa forma a RAS.

Tendo em conta a problemática das reações álcalis-agregados e os minerais portadores de álcalis e de sílica presentes nas rochas graníticas, podemos enunciar como objetivos deste trabalho os seguintes:

• Caracterizar agregados graníticos portugueses, em relação à libertação de álcalis; • Compreender o processo de alteração de feldspatos em soluções alcalinas;

• Estabelecer possíveis correlações entre os diferentes métodos de ensaio e a análise petrográfica; • Comprovar a adequabilidade dos métodos como Gel Pat Test, usualmente aplicados a rochas de

reação rápida, em rochas graníticas.

Tendo em conta os objetivos anteriormente referidos, pretende-se contribuir para uma maior e melhor compreensão da problemática das RAS, promovendo uma exploração sustentável dos agregados e a sua melhor utilização em obras de engenharia futuras. Para concretização dos objetivos estipulados submeteram-se as diferentes amostras a vários ensaios, nomeadamente:

• Análise petrográfica ao microscópio ótico de polarização para determinação da composição mineralógica da rocha e sua caracterização textural;

• Análise de imagens petrográficas, para quantificação do grau de alteração das frações estudadas; • Ensaios de solubilidade em soluções fortemente alcalinas, tanto por ataque de superfícies polidas

como de partículas obtidas por moagem;

• Gel Pat Test, para avaliação da possível formação de gel por RAS.

Também se considerou a informação obtida em ensaios anteriormente realizados, nomeadamente através da análise química de rocha total, que, em conjunto com os realizados neste trabalho, visam responder aos objetivos delineados neste relatório.

1.3.

Organização do Trabalho

A tese foi estruturada de forma a introduzir de modo gradual a temática do betão, facilitando a compreensão da mesma por parte de investigadores menos familiarizados. Assim, encontra-se dividido nos seguintes pontos:

• Introdução;

• Enquadramento teórico; • Materiais e métodos; • Apresentação de resultados;

• Discussão de resultados;

• Conclusões e desenvolvimentos futuros.

No primeiro capítulo deste relatório faz-se uma pequena introdução da problemática, apresentaram-se os objetivos do trabalho desenvolvido e a organização da tese.

No segundo capítulo entendeu-se que seria relevante incluir um enquadramento teórico e uma revisão bibliográfica, onde se expõem aspetos relacionados com o fabrico do betão, as propriedades mais importantes dos agregados e as reações químicas que levam à degradação do betão. Este capítulo é desenvolvido tendo em conta as questões relativas à eventual reatividade das rochas graníticas e dos seus minerais.

No terceiro capítulo são descritos todos os procedimentos experimentais do trabalho e o processamento das amostras utilizadas nos mesmos. Para tal, pormenorizam-se os materiais utilizados e os procedimentos a realizar nesses ensaios, que se encontram descritos em normas ou metodologias em desenvolvimento, com particular enfoque nos métodos que permitam a medida da libertação de álcalis e na análise petrográfica. No quarto capítulo são apresentados os resultados obtidos de forma detalhada para cada amostra nos distintos ensaios. A análise química de rocha total e o Gel Pat Test foram os métodos utilizados para os agregados referenciados por GR2, GR13, GR18, GR21, GR23, GR24 e GR29. A análise petrográfica, a análise de imagem e o ensaio AAR-8, um ensaio que visa determinar o potencial de um agregado em libertar álcalis para a solução intersticial do betão, foram empregues para as distintas frações dos agregados referidos para a análise química de rocha total. Também se descreve os resultados obtidos no ataque químico para os cristais de feldspato provenientes de granito são e alterado.

No quinto capítulo procede-se à discussão dos resultados descritos no ponto anterior e apresentam-se as conclusões acerca da estabilidade química dos agregados/minerais, fazendo-se uma comparação das diferentes amostras nos distintos ensaios.

No último capítulo do relatório referem-se as conclusões e considerações gerais do trabalho, bem como se propõem trabalhos futuros que possam responder a perguntas que tenham surgido ao longo do processo. Assim, referem-se os trabalhos a desenvolver, abordando a metodologia a implementar num futuro próximo.

O presente trabalho constitui a continuação de um estudo pormenorizado de avaliação da reatividade de agregados nacionais (Projeto FCT IMPROVE, refª PTDC/ECM/115486/2009).

No decorrer deste trabalho foram obtidos alguns dados e conclusões que serviram para a redação e publicação, até ao momento, de 2 artigos científicos, a saber:

• Ferraz, A. R. E.; Fernandes, I.; Soares, D.; Santos Silva, A. (2016): Avaliação da alteração das rochas graníticas e a sua influência sobre a libertação de álcalis. VI CJIG, Estremoz, Abstracts

Book;

• Santos Silva, A.; Fernandes, I.; Ferraz, A.R.E; Soares, D. (2017): Can certain alkali minerals explain the slow reactivity of granitic aggregates in dams?. Dam Swelling Concrete 2017, June 13th-15th 2017, Chambéry, France.

2. Enquadramento Teórico

2.1.

Betão

O betão é um material essencialmente constituído por cimento, agregados, água e, por vezes, adjuvantes e adições.

De acordo com Soares (2014), as propriedades do betão dependem de aspetos como: • Material constituinte;

• Processo de fabrico;

• Processo de colocação em obra;

• Condições de exposição a que estará sujeito; • Incumprimento das diferentes normas aplicáveis; • Ausência de controlo de qualidade exigível.

Segundo a mesma autora, qualquer variação num dos parâmetros referidos influencia a qualidade do betão obtido.

O betão é um meio heterogéneo formado por três fases: uma sólida, uma aquosa e, por último, uma gasosa. A fase sólida é constituída pelos produtos de hidratação do cimento, por partículas de clinquer não hidratadas e pelos agregados. A fase aquosa provém do excesso de água na amassadura, absorvida na superfície dos poros capilares (hidratos) ou que se encontra livre na solução intersticial do betão de elevada alcalinidade (12,6<pH<14). A fase gasosa do betão é composta por ar que preenche os seus poros, podendo representar 10-20 % do volume total do mesmo. Esta fase varia ao longo do tempo, uma vez que depende da razão entre a água e o cimento utilizado (a/c), da natureza dos agregados e da idade do betão (Soares, 2014).

2.2.

Cimento

O cimento é descrito na literatura como um material inorgânico granular muito fino, possuindo propriedades adesivas e coesivas, sendo assim capaz de ligar fragmentos de rocha e/ou minerais, formando um material compacto (NP EN 197-1, 2001; Neville, 2003; Fernandes, 2005).

Existem vários tipos de cimentos, dependendo das percentagens dos componentes utilizados. O cimento Portland é obtido através da mistura devidamente proporcionada de carbonato de cálcio (materiais calcários), silicatos de alumínio e de ferro (materiais argilosos) ou a partir de misturas de materiais calcários e argilosos como margas e, eventualmente, outra ou outras substâncias apropriadas ricas em sílica, alumina e ferro. Após serem reduzidos a pó, estes materiais são submetidos a temperaturas elevadas, da ordem dos 1450 ºC, em grandes fornos rotativos, formando-se após arrefecimento o “clinquer” (NP EN 197-1, 2001). De acordo com Neville (2003), o cimento Portland é uma mistura proporcionada de clinquer e de gesso (± 5 %), bem como de outros aditivos, apresentando este cimento a composição expressa na Tabela 2.1. A utilização de gesso, no fabrico do cimento, deve-se ao facto de este atuar como um retardador de presa, uma vez que intervém na hidratação do aluminato tricálcico, um dos componentes do clinquer do cimento (St John et al., 1998; Fernandes, 2005).

Tabela 2.1 - Composição do cimento portland (Neville, 2003). Óxidos Teor (%) CaO (cal) 60 - 67 SiO2 (sílica) 17 - 25 Al2O3 (alumina) 3 - 8 Fe2O3 0,5 - 6,0

Existem diferentes tipos ou famílias de cimentos dependendo da composição e/ou distintas classes de resistência à compressão de referência (32,5; 42,5; 52,5). Para cada uma destas classes são estabelecidas duas classes de resistência nos primeiros dias, associadas à resistência aos 2 e aos 7 dias de idade: uma classe de resistência normal, designada por N (normal), e uma classe de resistência elevada, R (rápido; NP EN 197-1, 2001; Tabela 2.2).

Tabela 2.2 - Classes de resistência do cimento (NP EN 197-1, 2001).

Classe de resistência

Resistência à compressão (MPa)

Tempo de início de presa (min) Expansibilidade (mm) Resistência aos primeiros dias Resistência de referência 2 dias 7 dias 28 dias 32,5 N — ≥ 16,0 ≥ 32,5 ≤ 52,5 ≥ 75 ≤ 10 32,5 R ≥ 10,0 — 42,5 N ≥ 10,0 — ≥ 42,5 ≤ 62,5 ≥ 60 42,5 R ≥ 10,0 — 52,5 N ≥ 10,0 — ≥ 52,5 — ≥ 45 52,5 R ≥ 10,0 —

A composição do cimento, de acordo com Neville (2003), é usualmente apresentada sob a forma de óxidos, tal como se encontra representado na Tabela 2.3.

Tabela 2.3 - Composição do betão em óxidos (Neville, 2003).

Substância Abreviatura Formula química Percentagem

Silicato tricálcico C3S 3Ca.SiO2 50 – 70

Silicato bicálcico C2S 2Ca.SiO2 15 – 30

Aluminato tricálcico C3A 3CaO.Al2O3 5 – 10

Aluminoferrato tetracálcico C4AF 4CaO.Al2O3.Fe2O3 5 – 15

Tendo em conta que o cimento, quando misturado com água, forma um sólido resistente convém entender as reações químicas que ocorrem na formação do cimento endurecido. Essas reações de hidratação são espaçadas no tempo e podem ser divididas em dois períodos, a “presa” e o “endurecimento”, originando-se diversos compostos (Coutinho,1988).

(2.1) 2(3CaO.SiO2) + 6H2O = 3CaO.2SiO2.3H2O + 3Ca(OH)2 (2.2) 2(2CaO.SiO2) + 4H2O = 3,3CaO.2SiO2.3,3H2O + 0,7Ca(OH)2

(2.4) 4CaO.Al2O3.Fe2O3 + 7H2O = 3CaO.Al2O3.6H2O + CaO.Fe2O3.H2O (2.5) CaO.Fe2O3.H2O + 2CaO(OH)2 + nH2O = 3CaO.Fe2O3.mH2O3 (2.6) 3CaO.Al2O3 + 3(CaSO4.2H2O) + 26H2O = 3CaO.Al2O3.3CaSO4.32H2O

No decorrer do referido processo ocorre a hidratação dos silicatos bicálcico e tricálcico, originando-se hidróxido de cálcio, Ca(OH)2

,

al., 2002).

O aluminato tricálcico e o aluminoferrato tetracálcico, por reação com o sulfato de cálcio hidratado (gesso), originam o trisulfoaluminato de cálcio hidratado (etringite). A etringite é estável na presença de gesso, no entanto, torna-se instável quando este se esgota, originando monosulfato de cálcio hidratado.

2.3.

Agregados

Os agregados, segundo Fernandes (2005), correspondem a ¾ do volume total do betão (70-80 %) e referem-se a partículas de materiais granulares de natureza mineral adequados para a utilização em argamassas e betão. Os agregados podem ser naturais, artificiais ou reciclados de materiais previamente usados na construção (NP EN 206-1: 2007). Estes produtos são aplicados por razões económicas, uma vez que o processo de fabrico do betão seria bastante mais dispendioso se estes não fossem utilizados pois isso implicaria a aplicação de maiores quantidades dos restantes componentes.

As propriedades físicas e químicas dos agregados são definidas pelas suas composições mineralógicas e texturais, bem como pelo grau de alteração das partículas minerais e/ou rochosas que os constituem (Sims e Brown, 1998).

Os agregados podem ser classificados de acordo com diferentes normas, dependendo do ponto de vista adotado. A mais simples tem em conta a sua origem, isto é, se são agregados artificiais, resultantes de uma britagem de rocha explorada em pedreiras, ou se foram obtidos a partir de explorações de materiais granulares em depósitos naturais (Fernandes, 2005). Podem ainda dividir-se em finos (0,063 mm) e agregados grossos e finos (4 mm; NP EN 12620, 2004). No presente, uma das classificações empregues baseia-se na divisão tradicional, quanto à origem da rocha mãe dos agregados: ígneas, sedimentares ou metamórficas. Não obstante, esta informação é insuficiente para classificar os agregados de acordo com a sua reatividade, sendo assim crucial realizar-se uma descrição pormenorizada do tipo de agregado, bem como uma caracterização petrográfica do mesmo (Fernandes, 2005). Este estudo petrográfico consiste numa descrição da composição do agregado em termos de identidade mineralógica, textural e petrográfica. Tendo em conta todos estes aspetos, é possível inferir a qualidade dos agregados que irão ser utilizados no betão, detetando-se assim substâncias potencialmente nocivas ao mesmo. Saliente-se, no entanto, que a melhor forma de determinar a reatividade potencial de um agregado é avaliar o seu comportamento em obra (Neville, 2003; Fernandes, 2005).

A descrição petrográfica do tipo de agregado consiste numa caracterização da rocha presente, devendo nela constar informações relativas à granularidade dos seus principais constituintes, textura, anisotropia, cor, composição mineralógica e respetivas proporções aproximadas, bem como o seu estado de alteração

(Fernandes, 2005). Esta descrição poderá incluir algumas notas em relação à eventual presença de minerais que podem ser prejudiciais (Soares, 2014), nomeadamente:

• Sulfuretos; • Gesso, anidrite; • Óxidos de ferro;

• Sílica, na forma de opala, calcedónia e polimorfos de quartzo (cristobalite e tridimite); • Dolomite;

• Feldspatos potássicos, sódicos ou calco-sódicos ou produtos da sua alteração.

2.3.1.

Características dos agregados

As características finais do betão são desde logo condicionadas pelas características físicas e mecânicas dos agregados. Coutinho (1999) e Soares (2014) enumeraram distintas propriedades dos agregados que podem influenciar as características apresentadas pelo betão:

• Massa volúmica; • Granulometria;

• Forma das partículas de agregado; • Porosidade;

• Permeabilidade;

• Presença de substâncias nocivas (ex. argila); • Coeficiente de dilatação térmica;

• Textura das partículas de agregado.

De forma sucinta caracterizam-se, em seguida, estas propriedades.

A massa volúmica é descrita como sendo o quociente entre a massa e o volume de um determinado material (granito 2600-2700 kg/m3_{) e depende dos minerais constituintes e do seu teor em vazios (NP EN 12620,} 2004). Este parâmetro permite determinar a quantidade adequada de agregados a aplicar em obra (Fernandes, 2005).

A granulometria dos agregados é um parâmetro que descreve a quantidade de partículas que passam num conjunto de peneiros de malha específica, sendo expressa em percentagem (NP EN 12620, 2004). Esta característica afeta a trabalhabilidade, a resistência, a densidade por compactação e a economia do betão (French, 1991). Os agregados grossos aumentam a resistência do betão mas, por sua vez, diminuem a sua trabalhabilidade. Em contrapartida, os agregados finos incrementam este último parâmetro e reduzem o primeiro. Assim, materiais com curvas granulométricas suaves produzem melhores resultados, pois contêm partículas que favorecem os dois parâmetros. No entanto, a utilização de agregados de grandes dimensões permite a aplicação de menores quantidades de cimento e evitam a geração de temperaturas elevadas durante as reações de hidratação (Coutinho, 1999; Soares, 2014).

A forma das partículas é descrita com base no seu arredondamento e esfericidade. O arredondamento é considerado uma medida da angularidade relativa dos bordos das partículas e relaciona-se com a origem do agregado, uma vez que depende da resistência à abrasão da rocha e dos processos de britagem a que esta possa ter sido submetida (Soares, 2014). Este parâmetro afeta a ligação entre o cimento e o agregado, podendo ocorrer o desenvolvimento de fissuras nas interfaces em certas condições, e também a necessidade de maiores quantidades de água, devido à maior superfície que os agregados poderão apresentar (Fernandes,

depende do tipo de rocha (NP EN 12620, 2004; Soares, 2014). Por exemplo, se os planos de descontinuidade se encontrarem bastante próximos uns dos outros, as partículas serão alongadas, podendo levar à acumulação de água na secção inferior da estrutura quando aplicadas ao betão (Fernandes, 2005). Isto impediria uma boa ligação entre pasta de cimento-agregado, já que a água se encontraria mal distribuída.

Daqui decorre que, no fabrico de betão, se procure obter partículas de agregados que apresentem maior esfericidade e angulosidade, de forma a permitir uma melhor ligação entre a pasta cimento-agregado (St John et al., 1998).

A presença de poros nas partículas de agregado está relacionada com a sua porosidade e permeabilidade, o que condiciona o comportamento do betão na presença de gelo e durante o processo de degelo, a sua estabilidade química e a resistência à abrasão (Neville, 2003; NP EN 12620, 2004). A porosidade, que no caso de um granito é de 0,4-3,8 % (Neville, 2003), pode permitir um maior controlo das fissuras originadas pelas reações internas, reduzindo-se assim a expansão causada pelas mesmas.

A presença de argila é outro parâmetro a ter em conta quando se classifica um agregado, pois conduz a um incremento da quantidade de água necessária para atingir a trabalhabilidade desejada, afetando a ligação entre o cimento e os agregados.

O coeficiente de dilatação térmica é utilizado como um parâmetro para avaliar o comportamento do betão a variações térmicas. Assim, os valores que a rocha apresenta, que variam com o seu teor em sílica (granito 1,8-11,9 x 10-6_{), e os valores do cimento (11-20 x 10}-6_{) podem comprometer as ligações entre os} componentes.

A textura superficial das partículas de agregado tem implicações nas características finais do betão, uma vez que partículas mais rugosas aumentam a resistência à tração, proporcionando assim uma melhor aderência cimento-agregado e um melhor empilhamento do esqueleto granular do betão. Contudo, a trabalhabilidade deste material é afetada negativamente quando são aplicadas partículas com estas texturas. De tudo o que foi referido, pode definir-se um conjunto de características que os agregados necessitam de apresentar para que possam ser utilizados no betão:

• Forma e dimensão proporcionadas – de acordo com as normas definidas; • Resistência mecânica adequada;

• Propriedades térmicas adequadas;

• Propriedades químicas, relativamente ao ligante e às ações exteriores, adequadas; • Isenção de substâncias prejudiciais.

Não obstante, para além da satisfação dos requisitos acima enunciados é ainda necessário que o agregado não interaja quimicamente com a pasta do cimento. A maioria dos agregados, no entanto, pode interagir quimicamente com a pasta do cimento, podendo assim afetar o tempo de vida útil e a resistência do betão. Saliente-se que esta interação está dependente da mineralogia do próprio agregado. Assim, os agregados podem comprometer a durabilidade do betão quando contribuem com componentes indesejáveis à mistura.

2.4.

Interface pasta de cimento-agregado

A interface pasta de cimento-agregado forma-se devido ao empacotamento dos diferentes constituintes do betão e corresponde ao contacto entre o cimento e as superfícies das diferentes partículas de agregado (Soares, 2014). Nesta zona, para além do betão estar sujeito a maiores tensões, é também onde este